Entwicklung und Anwendung suszeptibilitätsgewichteter Magnetresonanztomografie für die Herzbildgebung bei ultrahohen Magnetfeldstärken

Abstract

Die Charakterisierung des Herzmuskelgewebes spielt eine wichtige Rolle in der Diagnostik und Therapie kardialer Erkrankungen. Durch den hohen Weichgewebekontrast und die vielseitige Einsetzbarkeit hat sich die Magnetresonanztomografie zu einem wichtigen klinischen Werkzeug in der Diagnose und Therapieüberwachung kardialer Erkrankungen entwickelt. Die Kartierung der effektiven transversalen Relaxationszeit T2* mittels suszeptibilitätsgewichteter Magnetresonanztomografie (MRT) stellt eine aufstrebende Technik zur nicht-invasiven Gewebedifferenzierung im Myokard dar. Die lineare Zunahme magnetischer Suszeptibilitätseffekte mit steigender Magnetfeldstärke macht eine Anwendung der Technik bei ultrahohen Magnetfeldstärken (UHF, B0 ≥ 7.0 T) besonders attraktiv. Dies unterstützt die zeitlich aufgelöste myokardiale T2* Kartierung und erlaubt die Untersuchung des Myokards in verschiedenen physiologischen Zuständen. Dadurch könnte eine Unterscheidung von gesundem und pathologischem Gewebe ermöglicht werden. Motiviert durch dieses Potential untersucht diese Arbeit erstmalig die Anwendung zeitlich aufgelöster T2* Kartierung des Myokards bei 7.0 Tesla in Patienten mit kardialen Erkrankungen im Vergleich zu gesunden Probanden und analysiert das Potential der Technik zur nicht-invasiven Gewebedifferenzierung und Untersuchung der Physiologie des Herzmuskels. Zu diesem Zweck wurden technische und methodische Entwicklungen vorgenommen und MR-Messungen bei 7.0 T in Messphantomen sowie in vivo in gesunden Probanden und Patienten mit hypertropher Kardiomyopathie (HCM) vorgenommen. T2* im myokardialen Septum wurde zusammen mit grundlegenden Parametern der Herzmorphologie bestimmt. Der Einfluss makroskopischer Magnetfeldinhomogenitäten als mögliche Störgröße wurde mittels numerischer Simulationen und MRT-Messungen analysiert. Zudem wurde die subjektive Akzeptanz von kardialen Ultrahochfeld-MRT-Untersuchungen untersucht. Sowohl in gesunden Probanden als auch in HCM-Patienten wurden periodische Schwankungen von T2* über den Herzzyklus beobachtet. Im Gegensatz zu Änderungen in der myokardialen Oxygenierung, die häufig als dominierender Faktor für T2* betrachtet werden, wurden als Ursache zyklische Veränderungen in der myokardialen Blutvolumenfraktion identifiziert. Dies erlaubt neue Einsichten in die myokardiale Physiologie in vivo. Ein wesentlicher Einfluss makroskopischer Magnetfeldinhomogenitäten konnte dagegen ausgeschlossen werden. HCM-Patienten zeigen signifikant höhere T2* Werte im ventrikulären Septum als gesunde Probanden. Diese Erhöhung wurde mit einer T2-Erhöhung in Verbindung mit Entzündungsprozessen bei der Bildung von Fibrose sowie einer verminderten Blutvolumenfraktion im Myokard erklärt. Diese Zustände werden mit einem erhöhten Risiko für einen ungünstigen Krankheitsverlauf assoziiert. T2* Kartierung könnte daher zur Risikoabschätzung bei HCM beitragen. Zusammenfassend demonstriert diese Arbeit erstmalig die Anwendung von T2* Kartierung im Myokard bei 7.0 T in Patienten mit Herzerkrankungen im Vergleich zu gesunden Probanden. Die Ergebnisse zeigen, dass die Technik neue Einsichten in die Physiologie des Herzens erlaubt und die Unterscheidung von gesundem und krankem Gewebe vereinfachen könnte.

Myocardial tissue characterization plays an important role in the diagnosis and treatment of cardiac diseases. Thanks to its soft tissue contrast and versatility, cardiovascular magnetic resonance imaging (CMR) has become an important clinical tool for diagnosis and for guiding therapy of cardiac diseases. Mapping of the effective transverse relaxation time T2* using susceptibility weighted magnetic resonance imaging (MRI) represents an emerging technique for non-invasive myocardial tissue characterization. The linear increase of magnetic susceptibility effects with magnetic field strength renders it appealing to perform T2* mapping at ultrahigh magnetic fields (UHF, B0 ≥ 7.0 T), which also enable temporally resolved myocardial T2* mapping. This permits probing the myocardium at different physiological states and holds the promise to facilitate the distinction of healthy and pathologic tissue. Recognizing this potential this work demonstrates for the first time the applicability of cardiac phase resolved myocardial T2* mapping at 7.0 Tesla in cardiac patients compared to healthy controls and investigates its potential for tissue characterization and probing of cardiac physiology. To achieve this goal technical and methodological developments were conducted. MR measurements were performed at 7.0 T in phantoms as well as in vivo in human healthy volunteers and patients suffering from hypertrophic cardiomyopathy (HCM). Ventricular septal T2* was analyzed together with basic parameters of cardiac morphology. The influence of macroscopic magnetic field changes as a potential confounder for myocardial T2* was carefully analyzed in numerical simulations and MR experiments. Additionally the subjective acceptance of UHF cardiac MRI scans was investigated. In vivo investigations showed that ventricular septal T2* changes periodically across the cardiac cycle in both healthy controls and HCM patients. Cyclic changes in myocardial blood volume fraction across the cardiac cycle were identified as cause for the observed T2* variations as opposed to changes in myocardial oxygenation which are often considered to dominate myocardial T2*. This provides further insights into myocardial physiology in vivo. Based on macroscopic magnetic field assessments, a substantial contribution of dynamic field fluctuations on T2* was excluded. Ventricular septal T2* was significantly elevated in HCM patients compared to healthy controls. This was associated with a T2 increase related to edema in formation of fibrosis and a reduction in myocardial blood volume fraction in HCM. Both of these conditions are associated with a higher risk of poor outcome for HCM patients indicating that myocardial T2* mapping at UHF could support risk stratification in HCM. This work demonstrates for the first time the feasibility of myocardial T2* mapping at 7.0 T in cardiac patients. The results indicate that this technique can provide new insights into myocardial (patho)physiology and might facilitate the distinction of healthy from pathologic tissue without need for exogenous contrast agents.